Оптические свойства наноструктурированных плазмонных метаматериалов

• Автор: Носков, Роман Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 139 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Левосторонние метаматериалы и совершенные линзы
1.1. Введение
1.2. Объёмный оптический левосторонний метаматериал на основе массива металлических нанодимеров
1.2.1. Собственные моды пары металлических наночастиц
1.2.2. Эффективные диэлектрическая и магнитная проницаемости метаматериала на основе кубической решётки нанодимеров
1.2.3. Заключение
1.3. Двулучепреломляющие левосторонние метаматериалы и совершенные линзы
1.3.1. Двулучепреломляющий безотражательный метаматериал
1.3.2. Двулучепреломлнющая совершенная линза
1.3.3. Заключение
1.4. Динамическая теория формирования субволновых изображений в левосторонней суперлинзе
1.4.1. Постановка задачи. Исходные уравнения
1.4.2. Метод расщепления ноля. Укороченные уравнения
1.4.3. Стационарные изображения
1.4.4. Динамика формирования изображения суперлинзой. Изображение импульсного источника
1.4.5. Изображения движущихся источников
1.4.6. Заключение
Глава 2. Спонтанное нарушение симметрии в нелинейных металлических нанодимерах
2.1. Введение
2.2. Уединённый металлический нанодимер: спонтанная намагниченность и те-рагерцовая модуляция
2.3. Генерация терагерцового излучения при помощи двумерной решётки металлических нанодимеров

2.4. Заключение

Глава 3. Нелинейные оптические свойства планарных металло-диэлектрических наноструктур
3.1. Введение
3.2. Эффективное макроскопическое описание в линейном приближении
3.3. Тензор эффективной нелинейной диэлектрической проницаемости. Оптическая бистабильность
3.4. Нелинейность и изочастотные поверхности
3.5. Заключение
Заключение
Литература
Список публикаций по диссертации
Введение
По-видимому, исторически термин "метаматериал" впервые был использован в работах [1, 2] применительно к искусственно структурированным средам с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями. В таких средах макроскопические электрическое и магнитное поля в однородной плоской волне образуют левую тройку с волновым вектором (в отличие от обычных сред с положительными диэлектрической и магнитной проницаемостями, в которых соответствующая тройка является правой), откуда следует, что волновой вектор и средняя по времени плотность потока энергии оказываются противоположно направленными, а сами волны обратными. По этой причине среды, поддерживающие обратные волны, чаще всего называются "левыми" или "левосторонними" . Возбуждение обратных волн в левых средах приводит к обращению эффектов Доплера и Вавилова-Черенкова, возникновению отрицательной рефракции электромагнитных волн на границе раздела правой и левой сред и ряду других необычных электромагнитных свойств [3, 4], не встречающихся у природных сред, благодаря чему метаматериалами вскоре стал называться целый класс искусственных композитных структур с электромагнитными свойствами, не имеющими аналогов у природных материалов. В отличие от обычных сред, свойства которых определяются атомами и молекулами, из которых они состоят, свойствами метаматериалов можно управлять за счёт подбора и компоновки искусственно создаваемых "метаатомов" . Принцип создания макроскопической структуры на основе микроскопических элементов таким образом, что получаемый в итоге материал приобретает качественно новые свойства (отличные от свойств отдельных микрочастей) является краеугольным камнем концепции метаматериалов. В сущности, приставка "мета" (означающая в переводе с греческого, в частности, "над" , "за пределами") подчёркивает, что метаматериалы принципиально отличаются от обычных природных сред и в смысле принципа их создания и в смысле их свойств.
Достаточно высокий уровень современных технологий сделал возможным практически полный контроль над формой и размером отдельных метаатомов и над топологией метаматериалов в целом, что позволило не только создать левые среды [5-7], но и реализовать идеи трансформационной электродинамики [8-11] в устройствах, обеспечивающих электромагнитную невидимость [12-15], канализацию и фокусировку электромагнитных волн [16] и др. Другой областью активных исследований стала разработка метаматериалов

где кп = си/с - волновое число вакуума, кх - проекция волнового вектора на ось х, с — скорость света. Легко видеть, что импеданс этой анизотропной среды точно равен импедансу вакуума не только для обеих поляризаций и любых поперечно волновых чисел, но также для произвольных (включая комплексные) значений Ап В. Поэтому среда, описываемая тензорами (1.23), идеально согласована по импедансу с вакуумом и не отражает внешнее электромагнитное излучение 4.
В общем случае, когда вакуум заменён произвольной средой с некоторыми и д.,,
для сохранения согласования по импедансу потребуется изменить соотношения (1.23) следующим образом: £ —> е„ё и д —^ д3д. Ниже для простоты, но без потери общности, рассматривается случай є., = д., = 1.
1.3.2. Двулучепреломляющая совершенная линза
Рассмотрим пластину, изготовленную из метаматериала, диэлектрические и магнитные свойства которого описываются тензорами (1.23). Пластина окружена вакуумом и имеет толщину (I (0 < г < (I). Предположим, что источник расположен на расстоянии г = —а от ближайшей поверхности пластины, как показано на рис. 1.9. Он генерирует ТЕ- и ТМ-поляризованные волны и описывается в плоскости г = —а соответствующими распределениями электрического поля Еу(х,г — —а), для ТЕ-поляризации, и магнитного поля Ну(х,г = —а), для ТМ-поляризации. Обозначим пространственные спектры этих полей как ас(кх) и ат(кх), соответственно. Используя уравнения (1-24) - (1.27), описывающие электромагнитное поле в пластине, и удовлетворяя граничным условиям для тангенциальных компонент полей, получим выражения для пространственных гармоник полей за пластиной, т.е. при 2: > (I:
для ТЕ-поляризованных волн, где г' = г — с1. Таким образом, при действительных положительных А и В, уравнения (1-28) и (1.29) воспроизводят структуру поля источника в 4 Безотражательные свойства сред этого типа, но с А = В > 0 упоминались ранее в работе [70]. Такая же двулучепреломляющая среда была предложена для создания идеально согласованных слоев в ББТБ моделировании [71].
(1.28)
для ТМ-поляризованных волн и
(1.29)